基于AVR单片机的长距离运料车的设计

菏泽学院HEZEUNIVERSITY本科生毕业设计（论文）题目基于AVR单片机的长距离运料车的设计姓名学号系别蒋震机电工程学院专业机械电子工程指导教师职称副教授2012年5月26日菏泽学院教务处制目录摘要关键词ABSTRACTKEYWORDS引言1机械部分的设计11设计任务及参数12长距离运料车系统结构设计121长距离运料车的整体设计122运料车机械臂的设计123运料车自卸斗的设计124运料车底盘的设计2硬件部分的选择21主控单元的选择221单片机介绍222单片机型号选择223ATMEGA16引脚说明22直流减速电机的选择23步进电机的选择231步进电机介绍232步进电机的基本参数233选择步进电机三要素234选择步进电机型号24传感器模块的选择241光电接近开关242电感式接近开关25吸盘式电磁铁的选择3控制电路的设计31主控模块的设计311主控单元的设计312L7805直流稳压电源的设计312串口通信模块的设计32L298N电机驱动模块的设计321直流电机的正反转控制33步进电机驱动模块的设计331驱动芯片ULN2003332驱动电机34继电器控制模块的设计4控制流程的设计41控制流程42流程图总结说明参考文献附录致谢基于AVR单片机的长距离运料车的设计基于AVR单片机的长距离运料车的设计机械电子工程专业学生指导教师摘要随着电子技术的不断更新，工业自动化程度也飞速发展，为了把人们从繁重的体力劳动中解脱出来，本文设计了一种基于AVR单片机的长距离运料车，专门用于运输钢铁等重型物体。基于AVR单片机的长距离运料车集光、电、计算机技术于一体，综合了当今科技领域先进的理论和应用技术。单片机技术的应用，可灵活编程，进而实现控制的灵活性并且具有高可靠性、高性价比；可实现工件、加工后的工件全自动运送，减少了体力劳动，提高了工作效率；操作过程全自动化，只需控制开关，实现功能，解决了电力控制机械的难点；广泛应用在柔性制造系统和自动化工厂中，极大的提高生产自动化程度和生产效率。关键词AVR单片机；工业自动化；效率高；可靠性BASEDONTHEAVRSINGLECHIPMICROCOMPUTERLONGDISTANCETRANSPORTSTUDENTMAJORINGINMECHANICALANDELECTRONICENGINEERINGTUTORABSTRACTALONGWITHTHEELECTRONICTECHNOLOGYUPDATECEASELESSLY,INDUSTRIALAUTOMATIONDEGREEAREALSODEVELOPINGRAPIDLY,INORDERTOMAKEPEOPLEFROMTHEHEAVYMANUALLABOROUTOF,THISPAPERDISCUSSESTHEDESIGNOFAAVRBASEDLONGDISTANCELORRY,SPECIFICALLYDESIGNEDTOTRANSPORTIRONANDOTHERHEAVYOBJECTSAVRBASEDLONGDISTANCELORRYSETLIGHT,ELECTRICITY,COMPUTERTECHNOLOGYINONE,INTEGRATEDTHETECHNOLOGYOFADVANCEDTHEORYANDAPPLICATIONTECHNOLOGYTHEAPPLICATIONOFSCMTECHNOLOGY,FLEXIBLEPROGRAMMING,ANDTHENREALIZECONTROLFLEXIBILITYANDHIGHRELIABILITY,COSTEFFECTIVEREALIZINGWORKPIECE,MACHININGWORKPIECEAUTOMATICDELIVERY,REDUCELABOR,IMPROVETHEWORKEFFICIENCYTHEOPERATIONPROCESSISFULLYAUTOMATIC,ONLYNEEDSTOCONTROLTHESWITCH,REALIZESTHEFUNCTION,TOSOLVETHEELECTRICPOWERCONTROLEQUIPMENTDIFFICULTYWIDELYUSEDINFLEXIBLEMANUFACTURINGSYSTEMANDFACTORYAUTOMATION,GREATLYIMPROVETHELEVELOFPRODUCTIONAUTOMATIONANDPRODUCTIONEFFICIENCYKEYWORDSAVRSINGLECHIPMICROCOMPUTERINDUSTRIALAUTOMATIONEFFICIENTRELIABILITY菏泽学院本科生毕业设计（论文）引言随着计算机技术与微电子技术的发展，各种单片机或微控制器（MCU）组成的嵌入式系统，已经在工业自动化、办公自动化和楼宇自动化等领域得到了广泛的应用。为了加快实现工业的发展，进一步解放劳动力，提高生产效率，自动化已成为21世纪工业生产的发展趋势和发展方向。在各种自动化生产线中，运货的运料车是自动化生产线中的重要组成部分，尤其是多加工工位的自动化生产线，自动运料车有节约运货时间、减少工人的劳动强度等优点，所以自动运料车在自动化生产线中得到广发的应用。长距离送料车（即称AGV），是一种物料搬运设备，是能在某一位置自动进行货物的装载，自动行走到另一位置，自动完成货物的卸载的全自动运输装置。装卸搬运是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高，占据物流费用的重要部分。因此，运输工具得到了很大的发展，其中AGV的使用场合最广泛，发展十分迅速。它是一种集声、光、电、微型计算机为一体的简单搬运机器人。和人驾驶车的性质是一样的，只不过它的“司机”是一个微型计算机控制系统。它主要在柔性加工、装配系统，自动化立体仓库以及其他一些场合作为搬运工具1。我们知道，目前工业生产过程中已经有很多运料设备，但是能实现全自动、高效、安全运料的运料车很少。目前市面上的运料车主要分为两种（1）有轨长距离送料车所谓有轨是指有地面或空间的机械式导向轨道。地面有轨送料车结构牢固，承载力大，造价低廉，技术成熟，可靠性好，定位精度高。地面有轨送料车多采用直线或环线双向运行，广泛应用于中小规模的箱体类工件FMS中。高架有轨小车（空间导轨）相对于地面有轨送料车，车间利用率高，结构紧凑，速度快，有利于把人和输送装置的活动范围分开，安全性好，但承载力小。有轨送料车由于需要机械式导轨，其系统的变更性、扩展性和灵活性不够理想。（2）无轨长距离送料车无轨送料车是一种利用微机控制的，能按照一定的程序自动沿规定的引导路径行驶，并具有停车选择装置、安全保护装置以及各种移载装置的输送运料车。无轨送料车按引导方式和控制方法分为有径引导方式和无径引导自主导向方式。有径引导方式是指在地面上铺设导线、磁带或反光带指定送料车的路径，送料车通过电磁信号或光信号检测出自己的所在位置，通过自动修正而保证沿指定路径行驶。无径引导自主导方式中，地图导向方式是在无轨送料车的计算机中预存距离表（地图），通过与测距法所得的方位信息比较，送料车自动算出从某一参考点出发到目的点的行驶方向。这种引导方式非常灵活，但精度低。本文所研究的长距离运料车主要应用在机械制造业等工业领域当中，要求的承载力较大，并且要求可靠性高，定位精度好。因此我们选用第一种作为研究方案，即有轨式长距离运料车。现在市面上AGV价格比普通叉车价格要高出数倍，致使国内一些企业对AGV望而却步。这不是AGV不能在国内企业普及的唯一原因，另一个原因是基于AVR单片机的长距离运料车的设计现在的AGV变更性及适应性差，不能满足不同公司不同生产线的运输要求。此外，由于研发成本及其昂贵，所以AGV生产商也很难满足所有企业的生产需求。虽然AGV价格昂贵，但是仍不能掩盖其特点。AGV是一种自动化程度非常高的运输设备，并且具有运输效率高、可靠性高、能耗小、可实现柔性控制、灵活性好等诸多优点，已经广泛的运用在汽车制造、机械加工、烟草业自动仓库等诸多领域。在现代企业生产运输中，AGV为提高生产效率，降低生产成本发挥着重要的作用。但是由于AGV高昂的造价和复杂的制造工艺使的许多中小企业望而却步。所以急需设计一种价格低，性能好又能满足以上特点，并且又能适合于中小型企业需求的一种运料车。1机械部分的设计11设计任务及参数设计一台长距离运料车，可以在地面预定的轨道上行驶，并自动完成装卸料任务。本设计采用AVR单片机作为控制系统来控制小车的行驶，从而实现运料车的装料、直走、卸料、倒退、停止等功能。其设计参数如下长距离运料车的长度500MM长距离运料车底板高度32MM长距离运料车的载重35KG长距离运料车的宽度300MM长距离运料车的行驶速度100MM/S12长距离运料车系统结构设计121长距离运料车的整体设计所设计的长距离运料车的模型如图所示。车体采用后轮独立驱动的模式，后轮由电机带动齿轮传动，给与合适的动力源。四轮结构与三轮结构相比较有较大的负载能力和较好的平稳性。并采用槽轮结构，更能保证运料车的平稳性和安全性。如图所示机械臂和自卸斗分布在运料车的两侧，既保证了运料车的平稳性，又大大提高了运料的效率2。如图11。图11基于AVR单片机的长距离运料车的整体设计图42134菏泽学院本科生毕业设计（论文）1、机械臂；2、自卸斗；3、钢轨；4、V型槽轮122运料车机械臂的设计如图12采用减速步进电机带动机械手上升和下降，既保证了上升和下降的精确度，又提供了足够大的动力。两伸缩杆保证了运料的平稳性。图12运料车机械臂1、电磁铁；2、伸缩杆；3、步进电机；4、V型槽轮；5、带绳123运料车自卸斗的设计如图13采用两个侧倾式自卸斗，通过步进电机带动凸轮实现自卸斗的倾卸。图13侧倾式自卸斗1、自卸斗；2、凸轮；3、步进电机124运料车底盘的设计如图14直流减速电机通过齿轮副，带动运料车主轴转动，进而带动V型槽轮转动。12345132基于AVR单片机的长距离运料车的设计图14运料车底盘各结构组成1、V型槽轮；2、轴承与轴承座；3、轴；4、齿轮副；5、直流减速电机2硬件部分的选择21主控单元的选择221单片机介绍单片机即单片结构微型计算机的简称，可以认为是一种带CPU的计算机集成电路芯片。由单片机构成的计算机系统常被称为嵌入式计算机系统。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择3。单片机最早的应用是在工业控制领域，所以有时我们也把单片机称作微控制器（MCU）。早期的单片机的芯片内仅有CPU专用处理器。当初的设计目的是为了使计算机系统变得更小，使得控制设备的系统更为先进。最早INTEL公司根据这种设计理念设计出了的Z80处理器，从此以后，单片机和专用处理器便发展成两个不同的领域。222单片机型号选择（1）方案一采用ATC89C51单片机，该单片机是8位的CPU，主频等于晶振的12分频，具有4KB的程序储存器（ROM）；256B的数据存储器（RAM）；32条I/O口线；111条指令，大部分为单字节指令；21个专用寄存器；2个可编程序定时/计数器；5个中断源；2个优先级；一个全双工串行通信口。应用范围广泛，该型号单片机不仅硬件结构合理，而且指令系统也更为规范，占据了先入为主的优势，并且至今任保持者活力。（2）方案二采用AVR系列的ATMEGA16单片机，该单片机为高性能、低功耗的8位AVR微处理器；16KB的系统内可编程序FLASH程序存储器，可实现1万次的程序反复擦写功能；并可同时实现读、写功能；片上还具有512B的EEPROM，并可擦写10万次；具有JTAG接口，方便芯片编程烧写；ATMEGA16的片上还具备很多外设，拥有2个独立预分频和比较器功能的8位定时器/计数器；并且还具有一些特殊处理器的特点4。工作电压范围在4555V之间，最大工作频率为16MHZ。通过对两种型号的分析与调查我们采用AVR系列的ATMEGA16单片机作为长距离12345菏泽学院本科生毕业设计（论文）运料车的主控单元。主要是因为在同等时钟条件下ATMEGA16单片机比ATC89C51单片机速度快12倍，如果是做1616的乘法，可比ATC89C51快23倍，计算优势非常明显。AVR单片机的耗电量比ATC89C51也减少了很多，由于AVR单片机采用了更加先进的制造工艺，在同等配置的条件下，AVR单片机的价格要比ATC89C51单片机便宜。AVR单片机上外设接口多，自带EEPROM的数据存储器，因此在大多数的情况系，可以基本上摆脱外接的串行EEPROM，使得产品知道成本降低，同时也缩小了产品的体积。最重要的一点就是在可靠性和稳定性方面，AVR单片机的抗干扰能力也优越于ATC89C51单片机，在工作条件复杂和恶劣的情况下能稳定的工作。223ATMEGA16引脚说明图21AVR单片机管脚图（1）VCC正电源引脚。（2）GND接地引脚。（3）PAPD为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。具有对称的驱动特性输出缓冲器，可实现大电流的吸收和输出。当被定义成输入状态时，若内部上拉电阻使能，外部电路拉低端口时，将输出电流。若被复位，不管系统时钟是否起振，端口均处于高阻态5。其中端口A另一个功能就是A/D的模拟输入端。对于端口C，如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5TDI、PC3TMS与PC2TCK的上拉电阻被激活。（4）RESET复位引脚，低电平复位。（5）X1反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。基于AVR单片机的长距离运料车的设计（6）X2反向振荡放大器的输出端。（7）AVCCAVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。（8）AREFA/D的模拟基准输入引脚。22直流减速电机的选择直流电动机的主要参数是功率（KM）。但是，选择直流电动机并不按功率，而是根据下列三个指标选择6,7。长距离运料车行走的速度为100MM/S，则车轮的转速为（21）10647/MIN30VNRD选择齿轮的减速比为I4电机的转速（22）IN47198N/电长距离运料车的受力分析图22车轮受力简图运料车车架自重为P（23）3285100329814ABHGN小车的载荷为G（24）MG取坐标系OXYZ如图22所示，列出平衡方程由于两前轮及两后轮关于Y轴对称，则BCDFA，（25）Z020ACFFPG，（26）XM，7513解得16ABN84CDN滚动摩擦阻力偶矩的大小介于零和最大值之间，即F（27）MAX0F300菏泽学院本科生毕业设计（论文）（28）MAX061570946NMFNM其中为滚动摩阻系数，210，取6MM牵引力F为（29）AX2365MFND摩阻系数牵引力FN重物的重力WN滚子直径DMM传递效率传动装置减速比1/G求换算到电机轴上的负荷力矩（）LT（210）1980LFWTDG236576410579NM08105取，所以选择直流减速电机为24V转矩为6转速为200R/MIN。NM23步进电机的选择231步进电机介绍步进电机是主要对于位置和速度进行精确控制的一种电机8。“数字性”是步进电机的最大特点，当控制器发过来一个脉冲时，步进电机可通过驱动器的驱动下运转一个固定的角度（简称步距角）。同样如果步进电机接收到N个连续的脉冲，它将连续运转N个步距角。并且可以通过控制脉冲频率，直接控制电机转速。由于步进电机工作原理易学易用，成本低相对于伺服电机、电机和驱动器可靠性高，可在微电脑和单片机控制下运行，所以近年来在各生产领域的控制设备中得到了越来越广泛的应用。步进电机根据它的构造大致可分为三种反应式（VR）、永磁式（PM）和混合式（HB）。232步进电机的基本参数（1）电机固有步距角它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。每一个电机在被生产出之后都会有一个步距角，而这个步距角我们通常称作“电机固有步距角”，但是当我们在实际应用它时，就不能单单考虑“电机固有步距角”了，还要根据驱动器来确定其真正工作时的步距角。（2）步进电机的相数步进电机的相数是根据电机内部线圈的组数而确定的，即相数等于组数。市面上比较常用的步进电机有二相、三相、四相、五相等多种类型。如果步进电机的相数不同，其步距角也就不同。（3）保持转矩（HOLDINGTORQUE）保持转矩又称最大静转矩，是指电机在额定静态电压作用下（通电），电机不作旋基于AVR单片机的长距离运料车的设计转运动时，电机转轴的锁定力矩，即定子锁住转子时的力矩。它是步进电机最重要的参数之一。（4）钳制转矩（DETENTTORQUE）钳制转矩是指步进电机没有通电的情况下，定子给转子的锁定力矩。需要注意，反应式步进电机转子的材料是非永磁的，所以反应式步进电机没有钳制转矩。233选择步进电机三要素选择步进电机时，我们通常从步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三个方面去考虑，确定了这三个方面之后，便确定了步进电机的型号。（1）步距角的选择通常通过负载精度选择步进电机的步距角，如果将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，便可以确定电机在每个当量下应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应小于等于此角度。（2）静力矩的选择通常情况下步进电机的动态力矩不容易被确定，但是为了了解步进电机的动态力矩，我们一般先确定电机的静力矩。通过计算电机的工作负载就可以轻松的把静力矩给确定下来，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种，两种负载不能单一的存在。两种负载都要考虑的情况是在直接起动时（一般由低速），主要考虑惯性负载的情况是在加速起动时。相反，只需考虑摩擦负载实在恒速运行时。在选择步进电机时，静力矩在摩擦负载的23倍内最好，当静力矩选定好之后，便可以确定电机的机座及长度了（几何尺寸）。（3）电流的选择当步进电机的静力矩相同时，步进电机的电流参数对其运行特性影响很大，通过矩频特性曲线图，可判断步进电机电流的大小（参考驱动电源、及驱动电压）。综上所述选择电机一般应遵循图23的步骤。图23步进电机的选择方法负载步距角静转矩电流电机型号矩频特性曲线修正菏泽学院本科生毕业设计（论文）234选择步进电机型号根据图23，我们首先计算每个步进电机所承受的负载力大小，所需的步距角、静转矩以及步进电机的电流，进而确定步进电机的型号。长距离运料车的总载重为35KG,而每个运料车可同时运载两个工件，并且每个机械臂上布置两个步进电机，同时提升工件，选择步进电机的型槽轮的半径为1CM。则每个步进电机所承受的负载为（211）35MKG872该运料车对步进电机的步距角要求不是非常的严格，可首先确定其他要素之后，在确定步距角的大小。静转矩的大小（212）TGR静负载负载2875910NM0电流选择可在02A之间。故我们可选择的步进电机的型号为42BY48HJ50。其主要特点体积小，具有较高的启动和运行频率，有定位转矩大等优点。其主要技术参数见表21。表2112V减速步进电机技术参数表额定电压12V启动转矩100CMMIN相数4/2启动频率280PPSMIN减速比1/50定位转矩100CMMAX步距角75绝缘等级电阻301025型号42BY48HJ50相电流040A噪声DEFINEXTAL8DEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTUNSIGNEDCHARCONSTTABLE10X01,0X03,0X02,0X06,0X04,0X0C,0X08,0X09/步进电机正转UNSIGNEDCHARCONSTTABLE20X09,0X08,0X0C,0X04,0X06,0X02,0X03,0X01/步进电机反转UNSIGNEDCHARCONSTTABLE30X10,0X30,0X20,0X60,0X40,0XC0,0X80,0X90/步进电机正转/延时函数VOIDDELAY_1MSVOID基于AVR单片机的长距离运料车的设计UNSIGNEDINTIFORI1I8J0DELAY10VOIDBUJIN2VOIDUCHARI,J0FORI0I8J0DELAY10菏泽学院本科生毕业设计（论文）VOIDBUJIN3VOIDUCHARI,J0,NFORN0N8J0DELAY10VOIDBUJIN4VOIDUCHARI,J0,NFORN0N8J0DELAY10VOIDBUJINVOID/车斗上的步进电机UCHARI,J0,NFORN0N8J0DELAY10VOIDMAINUCHARI,J,N0,KEY,TEMDDRD0XFFPORTD0XFC/控制电机DDRA0XFF/控制步进电机正反转管脚PORTA0X00DDRB0X00/光电开关PORTB0XFFDDRC0XFF/控制继电器WHILE1TEMPINB/读取端口BDELAY5/排除按键抖动和抗干扰KEYPINBIFTEMKEYIFKEY0X7F/K1按下在起始位置是步进电机1正转的前提条件PORTD0XFC/光电开关1检测到信号后，电机停转，PORTC0X00/控制继电器使电磁铁始终都得电。DELAY1000/延时1SN0菏泽学院本科生毕业设计（论文）WHILEKEY0X6FKEYPINB/重新读取B口，IFKEY0XFFBREAK/检验是否是K1受到干扰BUJIN1/步进电机正转N/记录电机正转的脉冲数IFKEY0X6FBREAK/K4轻触开关检测到信号步进电机停止正转（下降）WHILEN0J0IFKEY0XFFBREAKFORNN1N0N/反转1圈共4096个脉冲BUJIN2/步进电机反转DELAY1000/延时1SPORTD0XFE/电机正转DELAY1000/延时1SDELAY1000/延时1SDELAY100